Исследователи из Технологического института Джорджии и Национального центра биологических наук Индии обнаружили, что скопления дрожжей при достижении определённого размера самопроизвольно генерируют потоки жидкости, достаточные для переноса питательных веществ вглубь их структуры. Это позволяет обойти ограничения, связанные с диффузией.
Эволюционные преимущества размера
С точки зрения эволюции, размер предоставляет многоклеточным организмам явные преимущества для выживания. Даже незначительное увеличение размера может позволить избежать хищников, питающихся фильтрацией, улучшить доступ к питательным веществам или поддержать более активную локомоцию.
Однако переход от одноклеточных организмов к более крупным скоплениям создаёт серьёзные ограничения. Как только скопления достигают определённого диаметра, простая диффузия становится слишком медленной, чтобы снабжать внутренние клетки питательными веществами, необходимыми для роста. Многие микробные колонии останавливаются в развитии под этим пределом, растущими только на своей поверхности.
Механизмы преодоления ограничений диффузии
Некоторые организмы развивают реснички или ветвящиеся сети для перемещения питательных веществ внутри себя. Другие, например, бактериальные биоплёнки, изменяют свою архитектуру для улучшения доступа. Ранние эволюционные шаги к многоклеточности, вероятно, происходили без таких специализированных структур, что делает неясным, как ранние линии могли расти за пределы размера, где диффузия неэффективна.
В исследовании, опубликованном в Science Advances, учёные использовали экспериментальную эволюцию, чтобы определить, могут ли негенетические физические процессы обеспечить транспорт питательных веществ в многоклеточных дрожжах, лишённых эволюционировавших транспортных адаптаций.
Методика исследования
Исследователи культивировали дрожжи Saccharomyces cerevisiae в жидкой среде YEPD при температуре 30 °C и отслеживали рост кластеров с помощью цейтраферной микроскопии в течение 12-часовых периодов. Кластеры визуализировали сверху и сбоку с помощью зеркальной установки. Движение жидкости вокруг кластеров визуализировали с помощью флуоресцентных индикаторных шариков и количественно оценивали с помощью отслеживания частиц и визуализации потоков частиц.
Результаты
Визуализация показала спонтанные трёхмерные потоки жидкости, циркулирующие через кластеры в жидкости, с притоком с боков и оттоком сверху. Эти потоки соответствовали скорости токов, движимых ресничками у водных микроорганизмов, таких как Volvox и Stentor.
Чтобы определить источник потоков, команда перевернула визуализирующие камеры и подтвердила, что направление потока меняется под действием гравитации, что указывает на механизм, движимый плавучестью. Дополнительные тесты исключили испарение и поверхностное натяжение как причины.
Шарики-индикаторы вокруг метаболически неактивных или мёртвых дрожжей двигались диффузно, в то время как частицы вблизи живых дрожжей в богатой глюкозой среде демонстрировали баллистическое движение, соответствующее адвективному потоку.
Потоки прекращались ниже порога концентрации глюкозы и возникали только в кластерах, превышающих критический размер. Фрагментация больших кластеров подавляла поток; объединение меньших кластеров для превышения порогового размера восстанавливало его.
Каждый кластер действовал как независимый «насос плотности», создавая собственные поля потока. Соседние кластеры создавали отдельные потоки, которые взаимодействовали, образуя точки застоя, где направление токов менялось.
Механизм, по-видимому, является эмерджентным свойством метаболизма дрожжей, создающим градиенты плотности жидкости за счёт поглощения глюкозы и производства этанола и CO₂, которые, в свою очередь, приводят в движение плавучие потоки. Эти потоки транспортируют питательные вещества по всему кластеру, обходя ограничения, связанные с диффузией, и поддерживая рост в размерах, ранее считавшихся недоступными без специализированных адаптаций.
Исследователи приходят к выводу, что метаболически управляемые потоки позволяют недифференцированным многоклеточным дрожжам преодолевать ограничения, связанные с диффузией питательных веществ, без эволюционировавших транспортных механизмов. Авторы описывают эти потоки как «биофизический каркас», который позволяет экспоненциальный рост в макроскопических размерах до эволюции генетических адаптаций.